KR101342662B1

KR101342662B1 - Fuel cell system having high hydrogen utilization efficiency

Info

Publication number: KR101342662B1
Application number: KR1020120003001A
Authority: KR
Inventors: 한인수; 신현길
Original assignee: 지에스칼텍스 주식회사
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2013-12-16
Also published as: KR20130081902A

Abstract

수소를 연료가스로 사용하는 연료전지 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 애노드(anode)를 복수의 단(multiple-stage)으로 분할하여 연료가스가 공급되도록 함으로써, 수소를 재순환시키지 않고도 수소 사용 효율을 향상시킨 연료전지 장치에 관하여 개시한다.
본 발명은 연료가스로 수소를 사용하는 연료전지 시스템에 있어서, 연료전지 스택의 애노드를 복수의 단으로 분할하여, 연료가스가 각 단을 순차적으로 통과하도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공한다.The present invention relates to a fuel cell device using hydrogen as a fuel gas, and more particularly, by dividing an anode into multiple stages to supply fuel gas, thereby improving hydrogen use efficiency without recycling hydrogen. Disclosed is an improved fuel cell device.
The present invention provides a fuel cell system in which a fuel cell system using hydrogen as a fuel gas is provided by dividing an anode of the fuel cell stack into a plurality of stages so that the fuel gas passes sequentially through each stage. .

Description

수소 사용 효율을 향상시킨 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM HAVING HIGH HYDROGEN UTILIZATION EFFICIENCY}FUEL CELL SYSTEM HAVING HIGH HYDROGEN UTILIZATION EFFICIENCY}

본 발명은 수소를 연료가스로 사용하는 연료전지 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 애노드(anode)를 복수의 단(multiple stage)으로 분할하여 연료가스가 공급되도록 함으로써, 수소를 재순환시키지 않고도 수소 사용 효율을 향상시킨 연료전지 장치에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell device using hydrogen as a fuel gas, and more particularly, by dividing an anode into multiple stages so that fuel gas is supplied, using hydrogen without recycling hydrogen. The present invention relates to a fuel cell device having improved efficiency.

일반적으로 연료전지는 기존의 발전방식과 비교할 때 화학에너지를 직접 전기에너지로 전환시키는 특징으로 인하여 발전 효율이 높을 뿐만 아니라 발전에 따른 공해 물질의 배출이 전혀 없어서 미래의 발전 기술로 평가 받고 있으며 다양한 연료를 사용할 수 있어 미래의 동력발생 장치로 각광받고 있다.In general, fuel cells are highly regarded as future generation technologies because they have high power generation efficiency and no emissions of pollutants due to power generation. It can be used as a power generating device of the future is attracting attention.

도 1은 종래의 수소 재순환 장치를 포함하는 종래의 연료전지 시스템 구조를 나타낸 것이다.1 shows a structure of a conventional fuel cell system including a conventional hydrogen recycling apparatus.

산화가스로 공기를 사용하고, 연료가스로 수소를 사용하는 연료전지 시스템은, 블로워(20)를 이용하여 공기를 캐소드(12) 측에 공급하고, 애노드(14) 측에는 수소를 공급한다.In a fuel cell system using air as an oxidizing gas and hydrogen as a fuel gas, air is supplied to the cathode 12 side using the blower 20, and hydrogen is supplied to the anode 14 side.

일반적으로는 수소의 경우 순환펌프(40) 또는 이젝터(ejector)를 구비하여 애노드(14) 측에서 반응 후 배출되는 수소를 재순환시키고 있었다.In general, in the case of hydrogen, a circulating pump 40 or an ejector is provided to recycle hydrogen discharged after the reaction on the anode 14 side.

수소를 재순환시키는 이유는 연료전지 스택에서 발생할 수 있는 플러딩(flooding) 현상을 방지하기 위함이다. 플러딩 현상이란 수소에 포함된 수분 또는 전기화학 반응에 의하여 생성된 생성수가 액체 상태에서 반응이 일어나는 전극(electrode)으로의 수소의 이동을 막는 현상으로, 전극 내에 수분 축적으로 플러딩 현상이 발생하게 되면 전기화학 반응에 필요한 수소의 양이 부족하게 되고, 그 결과 출력 저하 및 MEA(Membrane Electrode Assembly) 손상을 야기할 수 있다.The reason for recycling the hydrogen is to prevent flooding which may occur in the fuel cell stack. The flooding phenomenon is a phenomenon in which water generated by hydrogen or an electrochemical reaction prevents the transfer of hydrogen to an electrode in which the reaction occurs in a liquid state. The amount of hydrogen required for chemical reactions is insufficient, which can lead to reduced output and damage to the MEA (Membrane Electrode Assembly).

일반적으로 플러딩은 연료전지의 전기화학 반응에 필요한 양론비(stoichiometry) 보다 충분히 많은 양의 수소(양론비의 1.1 ~ 1.5배)를 연료전지에 공급하여 수소 가스의 유속을 증가시킴으로써 방지하고 있다. 그러나, 양론비 이상의 과다한 수소 공급은 연료전지 시스템 외부로 배출해야 하는 잔류 수소 유량을 증가시켜 수소 이용 효율을 떨어뜨리며, 수소 배출량 증가에 따른 발화 위험을 증가시킨다.In general, flooding is prevented by increasing the flow rate of hydrogen gas by supplying the fuel cell with a sufficient amount of hydrogen (1.1-1.5 times the stoichiometric ratio) than the stoichiometry required for the electrochemical reaction of the fuel cell. However, excessive hydrogen supply beyond the stoichiometric ratio increases the residual hydrogen flow rate that must be discharged to the outside of the fuel cell system, thereby decreasing hydrogen utilization efficiency and increasing the risk of ignition due to increased hydrogen emission.

이를 방지하기 위하여, 양론비 이상으로 과량으로 공급된 잔류 수소를 외부로 배출시키지 않고 순환펌프 또는 이젝터와 같은 재순환 장치를 이용하여 수소를 순환시키는 방식을 적용하고 있으나, 펌프 구동을 위해 추가적인 동력이 필요하며, 수소 순환율 제어를 위해 추가적인 제어 시스템을 구축해야 하는 단점을 가지고 있다.
In order to prevent this, a method of circulating hydrogen using a recirculation pump or an ejector without releasing residual hydrogen supplied in excess of the stoichiometric ratio to the outside is required, but additional power is required to operate the pump. In addition, there is a disadvantage in that an additional control system must be established for hydrogen circulation rate control.

본 발명의 목적은 연료가스로 수소가 공급되는 애노드 측을 다단(multiple stage)으로 형성하여, 각 단으로 공급되는 수소는 실질적으로 플러딩 현상을 방지할 수 있는 충분한 양을 유지할 수 있는 연료전지 시스템을 제공함에 있다.An object of the present invention is to form a multi-stage (anode) side of the anode in which hydrogen is supplied to the fuel gas, so that the hydrogen supplied to each stage substantially maintains a sufficient amount to prevent the flooding phenomenon In providing.

본 발명의 다른 목적은 수소 사용 효율을 증가시켜 별도의 수소 재순환 장치가 필요치 않은 연료전지 시스템을 제공함에 있다.
Another object of the present invention is to provide a fuel cell system which does not require a separate hydrogen recycle device by increasing the hydrogen use efficiency.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 연료가스로 수소를 사용하는 연료전지 시스템에 있어서, 연료전지 스택의 애노드를 복수의 단으로 분할하여, 연료가스가 각 단을 순차적으로 통과하도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell system using hydrogen as a fuel gas, wherein the anode of the fuel cell stack is divided into a plurality of stages so that the fuel gas passes sequentially through each stage. Provided is a fuel cell system.

상기 연료전지 시스템은 연료가스가 각 단에서 반응 후 다음단으로 공급된다.In the fuel cell system, fuel gas is supplied to the next stage after the reaction at each stage.

상기 연료전지 스택의 애노드는 3~5단으로 분할하는 것이 바람직하다.The anode of the fuel cell stack is preferably divided into three to five stages.

상기 연료전지 시스템은 산화가스로 공기를 사용하며, 캐소드는 전체가 하나의 단으로 형성된다.The fuel cell system uses air as an oxidizing gas, and the cathode is formed in one stage.

상기 연료전지 스택은 각 단으로 공급되는 연료가스의 유량이 각단의 반응에 필요한 연료가스의 이론치 요구 유량(양론비 유량)의 110~150% 범위인 것이 바람직하다. In the fuel cell stack, it is preferable that the flow rate of the fuel gas supplied to each stage is in the range of 110 to 150% of the theoretical required flow rate (quantum ratio flow rate) of the fuel gas required for the reaction of each stage.

또한, 각 단의 셀 개수가 후속 단의 셀 개수의 합의 2~6 배 범위가 되도록 분할되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the number of cells in each stage is divided so that the sum of the number of cells in the subsequent stages is in a range of 2 to 6 times.

그리고, 하나의 단을 통과한 연료가스는 후속단으로 공급되기 이전에 기액분리기를 경유하여 연료가스에 혼합된 수분이 제거되도록 하면 더욱 바람직하다.Further, it is more preferable that the fuel gas having passed through one stage is removed from the water mixed in the fuel gas via the gas-liquid separator before being supplied to the subsequent stage.

또한, 본 발명은 하나의 예로 연료가스로 수소를 사용하는 연료전지 시스템에 있어서, 연료전지 스택의 애노드를 1단, 2단, 3단으로 순차적으로 분할하고, 연료가스가 상기 1단에서 반응 후 2단으로 공급되고, 2단에서 반응 후 3단으로 공급되며, 상기 1단에서 반응 후, 연료전지 스택의 외부로 배출되었다가 3단을 관통하여 2단으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공한다.In addition, in the fuel cell system using hydrogen as the fuel gas as an example, the anode of the fuel cell stack is sequentially divided into one stage, two stages, and three stages, and the fuel gas is reacted at the first stage. The fuel cell system is supplied in two stages, and is supplied in three stages after the reaction in two stages, and after the reaction in the first stage, the fuel cell system is discharged to the outside of the fuel cell stack and is supplied to the second stage through the three stages. To provide.

상기 연료전지 스택은 1단과 2단은 동일한 형태의 분리판으로 형성되고, 3단 분리판은 수소 바이패스홀을 더 포함할 수 있다.The fuel cell stack may be formed of a separator plate having the same shape as the first stage and the second stage, and the third stage separator may further include a hydrogen bypass hole.

상기 수소 바이패스홀은 1단과 2단 분리판의 수소가스 유입홀 영역과, 수소가스 배출홀 영역 내에 각각 형성될 수 있다.
The hydrogen bypass hole may be formed in the hydrogen gas inlet hole region and the hydrogen gas outlet hole region of the first and second stage separators, respectively.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료가스로 수소가 공급되는 애노드 측을 다단으로 형성하여, 각 단으로 공급되는 수소는 과량이 되어 플러딩 현상을 방지할 수 있는 효과를 가져온다.In the fuel cell system according to the present invention, the anode side to which hydrogen is supplied as fuel gas is formed in multiple stages, and the hydrogen supplied to each stage is excessive, resulting in an effect of preventing flooding.

또한, 전체적으로는 수소의 공급량을 감소시킴으로써 수소 사용 효율을 증가시키는 효과를 가져온다.In addition, reducing the supply of hydrogen as a whole has the effect of increasing the hydrogen use efficiency.

그리고, 수소 사용 효율을 98% 이상으로 상승시킴으로써 별도의 수소 순환을 위한 펌프, 이젝터 및 이를 제어하기 위한 제어시스템이 필요치 않아 연료전지 시스템을 보다 간소하게 구성할 수 있는 효과가 있다.
In addition, by increasing the hydrogen use efficiency to 98% or more, a pump, an ejector for a separate hydrogen circulation, and a control system for controlling the same are not required, thereby simplifying the configuration of the fuel cell system.

도 1은 종래의 수소 재순환 장치를 포함하는 종래의 연료전지 시스템 구조를 나타낸 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 수소 사용 효율을 향상시킨 연료전지 시스템의 구조를 나타낸 개념도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수소 사용 효율을 향상시킨 연료전지 시스템의 스택 내부의 수소와 공기 흐름을 나타낸 구성도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수소 사용 효율을 향상시킨 연료전지 시스템을 나타낸 구성도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 1단과 2단 분리판 구조를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 3단 분리판 구조를 나타낸 도면임.1 is a block diagram showing a structure of a conventional fuel cell system including a conventional hydrogen recycling apparatus;
2 is a conceptual diagram showing the structure of a fuel cell system having improved hydrogen use efficiency according to the present invention;
3 is a block diagram illustrating hydrogen and air flow in a stack of a fuel cell system having improved hydrogen use efficiency according to an exemplary embodiment of the present invention;
4 is a configuration diagram showing a fuel cell system with improved hydrogen use efficiency according to an embodiment of the present invention;
5 is a view showing the structure of the first stage and the second stage of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention,
Figure 6 is a view showing a three-stage separator structure of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

이하 본 발명에 따른 수소 사용 효율을 향상시킨 연료전지 시스템에 관하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a fuel cell system having an improved hydrogen use efficiency according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to achieve them, will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

또한, 도면에서 발명을 구성하는 구성요소들의 크기는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술된 것이며, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재된 경우, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소와 접하여 설치될 수 있고, 소정의 이격거리를 두고 설치될 수도 있으며, 이격거리를 두고 설치되는 경우엔 상기 어떤 구성요소를 상기 다른 구성요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제3의 수단에 대한 설명이 생략될 수도 있다.
In the drawings, it is to be noted that the sizes of the constituent elements of the invention are exaggerated for clarity of description, and when it is described that any constituent element is present inside or connected to another constituent element, The element may be installed in contact with the other element, may be installed at a predetermined distance from the element, and may be provided with a third element for fixing or connecting the element to the other element, The description of the means may be omitted.

본 발명은 연료가스로 수소를 사용하는 연료전지 시스템에 있어서, 연료전지 스택의 애노드를 복수의 단으로 분할하여, 연료가스가 각 단을 순차적으로 통과하도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공한다.The present invention provides a fuel cell system in which a fuel cell system using hydrogen as a fuel gas is provided by dividing an anode of the fuel cell stack into a plurality of stages so that the fuel gas passes sequentially through each stage. .

본 발명은 연료가스로 수소를 사용하는 연료전지 시스템에 있어서, 연료전지 스택의 애노드를 1단, 2단, 3단, , N단으로 순차적으로 분할하고, 연료가스가 상기 1단에서 반응 후 2단으로 공급되고, 2단에서 반응 후 3단으로 공급되며, 이와 같은 방식으로 최종 단인 N단까지 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공한다.In the fuel cell system using hydrogen as the fuel gas, the anode of the fuel cell stack is sequentially divided into one stage, two stages, three stages, and N stages, and the fuel gas is reacted at the first stage. The fuel cell system is supplied to the stage, and supplied to the third stage after the reaction in the second stage, and is supplied to the N stage, which is the final stage in the same manner.

도 2는 본 발명에 따른 수소 사용 효율을 향상시킨 연료전지 시스템의 구조를 나타낸 개념도이다.2 is a conceptual diagram illustrating a structure of a fuel cell system having improved hydrogen use efficiency according to the present invention.

도시된 바와 같이, 연료전지 스택(100)은 캐소드(110)와 애노드(120)를 구비한다.As shown, the fuel cell stack 100 includes a cathode 110 and an anode 120.

캐소드(110)로는 산화가스로 공기가 공급되고, 애노드(120)로는 연료가스로 수소가 공급된다.Air is supplied to the cathode 110 as an oxidizing gas, and hydrogen is supplied to the anode 120 as a fuel gas.

캐소드(110)측은 연료전지 스택(100) 전체가 하나의 단으로 연결되어 있고, 공급되는 공기가 전체의 단으로 공급된 후 배출되는 런-스루(run-through) 타입으로 구성된다.The cathode 110 side is configured as a run-through type in which the entire fuel cell stack 100 is connected to one stage, and the air to be supplied is discharged after being supplied to the entire stage.

애노드(120)측은 연료전지 스택(100)이 복수의 단(121, 122, 123)으로 분할되어 있다.On the anode 120 side, the fuel cell stack 100 is divided into a plurality of stages 121, 122, and 123.

애노드(120)가 복수의 단으로 분할 형성되면, 각 단에서 반응후 남은 잔여 가스(미반응 수소 가스)가 다음단으로 공급되는 형태가 된다.When the anode 120 is divided into a plurality of stages, the remaining gas (unreacted hydrogen gas) remaining after the reaction in each stage is supplied to the next stage.

애노드(120)의 단수(N)는 3~5단으로 분할하는 것이 바람직하다. 단수(N)을 증가시킬수록 연료전지 시스템 외부로 배출되는 잔류 수소의 유량은 단수(N) 증가에 비례하여 감소하나, 단수 증가에 따라 잔류 수소 배출량 감소폭이 줄어들므로 3 ~ 5단 범위에서 구성하는 것이 바람직하다.The number N of the anodes 120 is preferably divided into three to five stages. As the number of stages (N) increases, the flow rate of residual hydrogen discharged to the outside of the fuel cell system decreases in proportion to the number of stages (N) increases, but as the number of stages increases, the decrease in residual hydrogen emissions decreases. It is preferable.

예를 들어, 연료전지 스택의 애노드(120)이 3단으로 분할되어 있을 경우를 살펴본다.For example, the case in which the anode 120 of the fuel cell stack is divided into three stages will be described.

애노드(120)측 전체에서 요구되는 수소의 유량이 100이고, 1단에서 필요한 수소의 유량이 "80", 2단에서 필요한 수소의 유량이 "16", 3단에서 필요한 수소의 유량이 "4" 일 때, 공급되는 수소의 유량이 "101" 이라면 1단에서는 필요량 80에 비하여 21만큼 과량의 수소(비율로는 126%) 가 공급되는 것이고, 2단의 경우 필요량 16에 비하여 5만큼 과량의 수소(비율로는 131%)가 공급되고, 3단의 경우 필요량 4에 비하여 1만큼 과량의 수소(비율로는 125%)가 공급되게 된다.The flow rate of hydrogen required in the entire anode 120 side is 100, the flow rate of hydrogen required in the first stage is "80", the flow rate of hydrogen required in the second stage is "16", and the flow rate of hydrogen required in the third stage is "4". When the flow rate of hydrogen is " 101 ", excess hydrogen is supplied by 21 in the first stage (126% in proportion to the required amount of 80), and in the second stage, excess hydrogen by 5 is required compared to 16 in the second stage. Hydrogen (131% in the ratio) is supplied, and excess hydrogen (125% in the ratio) is supplied by 1 in the third stage compared to the required amount 4.

이 경우 전체적으로보면 101% 과량 공급되지만, 각 단에서는 120% 이상의 과량이 공급되는 결과가 된다. 따라서, 각각의 단에서 충분한 유량의 미반응 수소가 배출되며, 미반응 수소와 함께 수분이 원활하게 배출될 수 있으므로 플러딩 현상을 방지할 수 있다.In this case, the overall supply is 101%, but in each stage, the excess is more than 120%. Therefore, the unreacted hydrogen of a sufficient flow rate is discharged from each stage, and the water can be smoothly discharged together with the unreacted hydrogen, thereby preventing the flooding phenomenon.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은 애노드측의 각 단으로 공급되는 연료가스의 유량이 각단의 반응에 필요한 연료가스의 이론치 요구 유량의 110~150% 범위가 되도록 하는 것이 바람직하다. 연료가스 공급유량이 110% 미만이 되면 원활한 수분 배출이 이루어지지 않으며, 150%를 초과하면 채널의 압력강하가 과도하게 높게 되거나 수소 사용량이 과다하여 수소 사용 효율을 저하시킨다.In the fuel cell system according to the present invention, it is preferable that the flow rate of the fuel gas supplied to each stage on the anode side is in the range of 110 to 150% of the theoretical required flow rate of the fuel gas required for each stage reaction. If the fuel gas supply flow rate is less than 110%, smooth water is not discharged. If the fuel gas supply flow rate is less than 110%, the pressure drop of the channel is excessively high or the amount of hydrogen used is excessive, thereby degrading hydrogen use efficiency.

이를 위하여, 애노드 단의 연료가스 공급 유량은 각 단간의 셀수의 비율에 따라 결정되며, 애노드 단의 분할은 각 단의 셀 개수가 후속 단의 셀 개수의 합의 2~6 배 범위가 되도록 분할되는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로 분할되지 않으면 상술한 바와 같이 연료가스의 유량을 이론치 유량의 110~150% 범위로 조절하기가 곤란하다.To this end, the fuel gas supply flow rate of the anode stage is determined according to the ratio of the number of cells between stages, and the division of the anode stage is divided so that the number of cells in each stage is 2-6 times the sum of the number of cells in the subsequent stages. desirable. If it is not divided in this manner, it is difficult to adjust the flow rate of the fuel gas to 110 to 150% of the theoretical flow rate as described above.

살펴본 바와 같이, 애노드(120) 측을 다단으로 구성할 경우 상대적으로 적은 양의 수소를 공급하여도 플러딩 현상을 방지할 수 있으므로, 별도의 수소 재순환 구조가 필요치 않다. 별도의 펌프나 이젝터를 구비하지 않고, 애노드(120) 측 출구에 퍼지 밸브(30)만을 구비하는 것으로 장치를 구성할 수 있다.As described above, when the anode 120 is configured in multiple stages, the flooding phenomenon can be prevented even when a relatively small amount of hydrogen is supplied, so that a separate hydrogen recycling structure is not required. The apparatus can be configured by providing only the purge valve 30 at the outlet of the anode 120 side without providing a separate pump or ejector.

종래와 같이 애노드(120)측 스택이 하나의 단으로 형성되어 있다면, 필요량 100에 대하여, 101만큼 공급되는 것이므로 101% 과량 공급되는 것이어서 미반응 가스의 배출량이 미미하여 실질적으로 수분이 배출되지 못하고, 플러딩 현상이 발생할 가능성이 매우 높다.
If the anode 120 side stack is formed in one stage as in the related art, 101% of the stack is supplied with respect to the required amount of 100, so that the amount of unreacted gas is insignificant, and thus the water is not discharged substantially. The phenomenon is very likely to occur.

본 발명은 하나의 구체예로 연료가스로 수소를 사용하는 연료전지 시스템에 있어서, 연료전지 스택의 애노드를 1단, 2단, 3단으로 순차적으로 분할하고, 연료가스가 상기 1단에서 반응 후 2단으로 공급되고, 2단에서 반응 후 3단으로 공급되며, 상기 1단에서 반응 후, 연료전지 스택의 외부로 배출되었다가 3단을 관통하여 2단으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공한다.In one embodiment, in a fuel cell system using hydrogen as fuel gas, an anode of a fuel cell stack is sequentially divided into one stage, two stages, and three stages, and the fuel gas is reacted at the first stage. The fuel cell system is supplied in two stages, and is supplied in three stages after the reaction in two stages, and after the reaction in the first stage, the fuel cell system is discharged to the outside of the fuel cell stack and is supplied to the second stage through the three stages. To provide.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수소 사용 효율을 향상시킨 연료전지 시스템의 스택 내부의 수소와 공기 흐름을 나타낸 구성도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수소 사용 효율을 향상시킨 연료전지 시스템을 나타낸 구성도이다.3 is a block diagram illustrating hydrogen and air flow in a stack of a fuel cell system having an improved hydrogen use efficiency according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a fuel having improved hydrogen use efficiency according to an embodiment of the present invention. It is a block diagram which shows a battery system.

도시된 실시예는 연료전지 스택(100)의 애노드가 3단(121, 122, 123)으로 분할되고, 캐소드(110)는 전체가 하단의 단으로 형성된 것이다.In the illustrated embodiment, the anode of the fuel cell stack 100 is divided into three stages 121, 122, and 123, and the cathode 110 is entirely formed at the lower stage.

도시된 바와 같이, 산화가스로 공급되는 공기는 연료전지 스택(100) 캐소드(110) 전체가 하나의 단으로 형성되어, 연료전지 스택(100) 전체에서 반응이 이루어진 후 배출되도록 구성되어 있다.As shown in the drawing, the air supplied to the oxidizing gas is configured such that the entire cathode 110 of the fuel cell stack 100 is formed in one stage, and is discharged after the reaction is performed in the entire fuel cell stack 100.

연료가스로 공급되는 수소는 연료전지 스택 애노드의 제1단(121)으로 공급된 후, 제1단(121)에 해당되는 스택들을 통과하며 반응하고, 미반응 가스는 제2단(122)으로 공급된 후, 제2단(122)에 해당되는 스택들을 통과하며 반응하고, 미반응 가스가 제3단(123)으로 공급되는 구조를 가지고 있다.Hydrogen supplied as fuel gas is supplied to the first stage 121 of the fuel cell stack anode, and then reacts through the stacks corresponding to the first stage 121, and unreacted gas is transferred to the second stage 122. After the supply, the reaction passes through the stacks corresponding to the second stage 122, and the unreacted gas is supplied to the third stage 123.

수소가스는 도면의 좌측에서 제1단(121)으로 공급되었다가, 제1단(121)에서 배출된 후, 제3단(123)을 관통하여 제2단(122)으로 공급된다. 그리고, 제2단(122)에서 배출된 후 제3단(123)을 관통하여 배출되고, 다시 제3단(123)으로 공급되는 구조를 가진다.The hydrogen gas is supplied to the first end 121 from the left side of the drawing, discharged from the first end 121, and then supplied to the second end 122 through the third end 123. After being discharged from the second end 122, the liquid is discharged through the third end 123 and is supplied to the third end 123 again.

도 4를 참조하면, 제1단(121)에서 배출된 수소 가스(52)는 제1기액분리기(62)를 거치며, 수소 가스와 함께 배출되는 수분이 제거된 후 제2단(122)으로 공급되고, 제2단(122)에서 배출되는 수소 가스(54)는 제2기액분리기(64)를 거치며, 수소 가스와 함께 배출되는 수분이 제거된 후 제3단(123)으로 공급된다. 제3단(123)의 배출측에는 퍼지밸브(56)가 구비된다.
Referring to FIG. 4, the hydrogen gas 52 discharged from the first stage 121 passes through the first gas-liquid separator 62 and is supplied to the second stage 122 after the moisture discharged with the hydrogen gas is removed. The hydrogen gas 54 discharged from the second stage 122 passes through the second gas-liquid separator 64 and is supplied to the third stage 123 after the moisture discharged with the hydrogen gas is removed. A purge valve 56 is provided at the discharge side of the third stage 123.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 1단과 2단 분리판 구조를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 3단 분리판 구조를 나타낸 도면이다.5 is a view showing the structure of the first stage and the second stage of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention, Figure 6 is a view showing the structure of the three-stage separator of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 1단 분리판과 2단 분리판은 채널부(270)의 양측에 총 6개의 매니폴드홀을 구비하고 있다.Referring to FIG. 5, the first stage separator plate and the second stage separator plate have six manifold holes on both sides of the channel unit 270.

1단과 2단 분리판(200)에 형성되는 6개의 매니폴드홀은, 연료가스가 유입되는 연료가스 유입홀(260), 반응후의 연료가스가 배출되는 연료가스 배출홀(230), 연료전지 스택에서 발생하는 열을 냉각하기 위한 냉각수 유입을 위한 냉각수 유입홀(220), 열교환을 마친 냉각수가 배출되는 냉각수 배출홀(250), 산화가스가 유입되는 산화가스 유입홀(240), 반응후의 산화가스가 배출되는 산화가스 배출홀(210)이다.The six manifold holes formed in the first and second stage separation plates 200 include a fuel gas inlet hole 260 through which fuel gas is introduced, a fuel gas outlet hole 230 through which the fuel gas after the reaction is discharged, and a fuel cell stack. Cooling water inlet hole 220 for cooling water inlet to cool the heat generated in the cooling water, the cooling water discharge hole 250 for discharging the coolant after heat exchange, the oxidizing gas inlet hole 240 through which the oxidizing gas is introduced, the oxidizing gas after the reaction The oxidized gas discharge hole 210 is discharged.

1단 과 2단 분리판(200)은 동일한 구조를 가지고 있다.The first stage and the second stage separator 200 have the same structure.

도 6를 참조하면, 3단 분리판(300)은 중앙에 채널부(370)가 형성되고 그 양측에 복수개의 매니폴드홀이 형성된다. 매니폴드 홀 중에서 연료전지 스택에서 발생하는 열을 냉각하기 위한 냉각수 유입을 위한 냉각수 유입홀(320), 열교환을 마친 냉각수가 배출되는 냉각수 배출홀(350), 산화가스가 유입되는 산화가스 유입홀(340), 반응후의 산화가스가 배출되는 산화가스 배출홀(310)은 1단, 2단 분리판(200)과 동일하게 형성되나,Referring to FIG. 6, the three-stage separator 300 has a channel portion 370 formed at the center thereof and a plurality of manifold holes formed at both sides thereof. Among the manifold holes, a coolant inlet hole 320 for inleting coolant for cooling heat generated from the fuel cell stack, a coolant outlet hole 350 for discharging the coolant after heat exchange, and an oxidant gas inlet hole through which oxidant gas is introduced ( 340, the oxidizing gas discharge hole 310 in which the oxidizing gas is discharged after the reaction is formed in the same manner as the one-stage, two-stage separator 200,

수소가스 유입홀(360) 및 수소가스 배출홀(330) 이외에, 수소가스 바이패스홀(365, 335)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition to the hydrogen gas inlet hole 360 and the hydrogen gas discharge hole 330, it is characterized in that it further comprises a hydrogen gas bypass holes (365, 335).

3단 분리판(300)은 1단, 2단 분리판(200)의 수소가스 유입홀(260) 영역이 2개로 분할되어 채널측에는 수소가스 유입홀(360)이 형성되고, 외곽측에는 수소가스 바이패스홀(365)이 형성된다. 그리고, 1단, 2단 분리판의 수소가스 배출홀(230) 영역도 마찬가지로 2개로 분할되어 채널측에는 수소가스 배출홀(330)이 형성되고, 외곽측에는 수소가스 바이패스홀(335)이 형성된다.The three-stage separator 300 is divided into two regions of the hydrogen gas inlet hole 260 of the first stage and the two-stage separator 200 so that the hydrogen gas inlet hole 360 is formed at the channel side, and the hydrogen gas via The pass hole 365 is formed. In addition, the hydrogen gas discharge hole 230 regions of the first and second stage separation plates are similarly divided into two, and the hydrogen gas discharge hole 330 is formed at the channel side, and the hydrogen gas bypass hole 335 is formed at the outer side. .

수소가스 바이패스홀(335, 365)은 2단으로 공급되는 수소 가스 공급통로의 역할과, 2단에서 반응을 마친 수소 가스 배출통로의 역할을 수행한다.
The hydrogen gas bypass holes 335 and 365 serve as the hydrogen gas supply passages supplied to the second stage and the hydrogen gas discharge passages which have completed the reaction in the second stage.

실험결과Experiment result

24셀을 가지는 연료전지 스택의 애노드를 3단(1단 20셀, 2단 3셀, 3단 1셀)으로 분할하고, 연료가스로는 순수 수소를 공급하고, 산화가스로는 공기를 공급하고, 셀 온도는 65℃, 애노드측과 캐소드측의 상대습도는 100%로 하고, 출력을 1kw 에서 2.7kw 로 변화시키면서 수소 사용 효율을 측정하였다.
The anode of the fuel cell stack having 24 cells is divided into three stages (one stage 20 cells, two stage three cells, and three stage 1 cells), pure hydrogen is supplied as fuel gas, air is supplied as oxidizing gas, and The temperature was 65 ° C, the relative humidity of the anode side and the cathode side was 100%, and the hydrogen use efficiency was measured while changing the output from 1kw to 2.7kw.

출력(kW)

Output (kW)

전류(A)
Current (A)
이론 수소 유량
(NLPM)
Theoretical hydrogen flow rate
(NLPM)
공급수소 유량
(NLPM)
Hydrogen flow rate
(NLPM)
수소 이용율
(%)
Hydrogen utilization
(%)
1.0

1.0

50
50
8.37
8.37
8.46
8.46
98.94
98.94
1.5

1.5

80
80
13.39
13.39
13.48
13.48
99.33
99.33
1.9

1.9

100
100
16.74
16.74
16.83
16.83
99.47
99.47
2.2

2.2

120
120
20.09
20.09
20.19
20.19
99.51
99.51
2.7

2.7

150
150
25.11
25.11
25.32
25.32
99.17
99.17

결과를 살펴보면, 부하에 따라 수소 사용 효율이 98.94~99.51% 로 매우 높은 것을 알 수 있다. 이는 애노측을 분할하지 않은 일반 연료전지 스택이 83~90% 의 수소 사용 효율을 나타내는 것에 비하여 매우 향상된 수치임을 알 수 있다.Looking at the results, it can be seen that depending on the load, the hydrogen use efficiency is very high (98.94 ~ 99.51%). This can be seen that the general fuel cell stack without dividing the anode side is very improved compared to 83 ~ 90% hydrogen utilization efficiency.

따라서, 상술한 바와 같이 수소가 공급되는 애노드 측을 다단으로 구성하면, 별도의 수소 순환 장치를 구비하지 않고 높은 수소 이용 효율의 연료전지 시스템을 구성할 수 있다.
Therefore, as described above, if the anode side to which hydrogen is supplied is configured in multiple stages, a fuel cell system with high hydrogen utilization efficiency can be configured without providing a separate hydrogen circulation device.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. It will be understood that the invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.

100 : 연료전지 스택
110 : 캐소드(cathod)
120 : 애노드(Anode)
121 : 1단 애노드
122 : 2단 애노드
123 : 3단 애노드100: fuel cell stack
110: cathode
120: anode
121: first-stage anode
122: two-stage anode
123: three-stage anode

Claims

연료가스로 수소를 사용하는 연료전지 시스템에 있어서,
연료전지 스택의 애노드를 1단, 2단, 3단으로 순차적으로 분할하고, 연료가스가 상기 1단에서 반응 후 2단으로 공급되고, 2단에서 반응 후 3단으로 공급되며,
상기 1단에서 반응 후, 연료전지 스택의 외부로 배출되었다가 3단의 바이패스홀을 관통하여 2단으로 공급된 후, 2단에서 반응 후 3단의 바이패스홀을 관통하여 연료전지 스택의 외부로 배출되었다가, 3단으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
In a fuel cell system using hydrogen as fuel gas,
The anode of the fuel cell stack is sequentially divided into one stage, two stages, and three stages, and fuel gas is supplied to the second stage after the reaction in the first stage, and the third stage after the reaction in the second stage,
After the reaction at the first stage, the fuel cell stack is discharged to the outside of the fuel cell stack and supplied to the second stage through the third stage bypass hole, and then passes through the third stage bypass hole after the reaction at the second stage. After discharged to the outside, the fuel cell system characterized in that it is supplied in three stages.

제 1 항에 있어서,
상기 연료전지 스택은
1단과 2단은 동일한 형태의 분리판(A)으로 형성되고,
3단 분리판(B)은 수소가스 바이패스홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
The method of claim 1,
The fuel cell stack
First stage and second stage are formed of the same type of separator plate (A),
The three-stage separator (B) further comprises a hydrogen gas bypass hole.

제 2 항에 있어서,
3단 분리판(B)은
1단과 2단 분리판(A)의 수소가스 유입홀에 대응하는 영역에 수소가스 바이패스홀과 수소가스 유입홀을 형성하고,
1단과 2단 분리판(A)의 수소가스 배출홀에 대응하는 영역에 수소가스 바이패스홀과 수소가스 배출홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
3. The method of claim 2,
3-stage separator (B)
Forming a hydrogen gas bypass hole and a hydrogen gas inflow hole in a region corresponding to the hydrogen gas inflow hole of the first and second stage separation plates (A),
And a hydrogen gas bypass hole and a hydrogen gas discharge hole in a region corresponding to the hydrogen gas discharge holes of the first and second stage separation plates (A).

제 1 항에 있어서,
상기 연료전지 시스템은
산화가스로 공기를 사용하며, 캐소드는 전체가 하나의 단으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
The method of claim 1,
The fuel cell system
Air is used as the oxidizing gas, the cathode is a fuel cell system, characterized in that the whole is formed in one stage.

제 1 항에 있어서,
상기 연료전지 스택은
각 단으로 공급되는 연료가스의 유량이 각 단의 반응에 필요한 연료가스의 이론치 요구 유량의 110~150% 범위인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
The method of claim 1,
The fuel cell stack
A fuel cell system, characterized in that the flow rate of the fuel gas supplied to each stage is 110 to 150% of the theoretical required flow rate of the fuel gas required for the reaction of each stage.

제 1 항에 있어서,
상기 애노드 단은
각 단의 셀 개수가 후속 단의 셀 개수의 합의 2~6 배 범위가 되도록 분할되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
The method of claim 1,
The anode stage
A fuel cell system, characterized in that the number of cells of each stage is divided so that the sum of the number of cells of the subsequent stage ranges 2 to 6 times.

제 1 항에 있어서,
하나의 단을 통과한 연료가스는 후속단으로 공급되기 이전에 기액분리기를 경유하여 연료가스에 혼합된 수분이 제거되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
The method of claim 1,
A fuel cell system, characterized in that the fuel gas passing through one stage is to remove the water mixed in the fuel gas via the gas-liquid separator before being supplied to the subsequent stage.

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